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(1.華亭煤業(yè)集團有限責任公司 硯北煤礦，甘肅 華亭 123000；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

基于能量校核的強礦壓全煤巷道強力錨索頂板支護系統(tǒng)的設計應用

丁小敏1，安建崗1，武彥平1，石蒙2

(1.華亭煤業(yè)集團有限責任公司硯北煤礦，甘肅華亭123000；2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013)

強礦壓顯現(xiàn)情況下特厚大斷面全煤巷道圍巖離層和結構變形嚴重，普通低強度支護方式不能對巷道破壞進行有效控制。為提高支護效果，保持圍巖的完整性與穩(wěn)定性，采用基于能量校核的不等長完全強力錨索頂板支護系統(tǒng)進行支護。通過理論計算和現(xiàn)場實踐表明，這種新型支護設計方法的支護承載力超過礦壓顯現(xiàn)的能量釋放，長短結合的錨索支護顯著提高了支護的可靠性和安全程度，降低巷道維修成本，應用效果顯著。

能量校核；強礦壓；不等長；強力錨索；設計應用

受構造應力、開采深度及煤層特性等特殊地質(zhì)條件的影響，硯北煤礦采掘工作面特別是2502采區(qū)強礦壓顯現(xiàn)強度和頻率不斷增加，來壓使頂板瞬間下沉，普通支護下網(wǎng)片與鋼帶撕裂，多個錨索被拉斷或退錨，錨桿失效，對巷道支護系統(tǒng)和生產(chǎn)設施造成了嚴重的破壞，對作業(yè)人員構成嚴重的安全威脅。2011年全礦共發(fā)生震動2372次，能量105J以下的2172次，能量105～106J之間的200次，106J以上的6次，破壞性來壓共發(fā)生75次，來壓累計導致3088m巷道遭到不同程度的破壞，最大頂板下沉量1.1m、最大底鼓高度1.3m，特別是2011年10月16日發(fā)生在250204工作面運輸巷原定200m安全警戒區(qū)外的強礦壓顯現(xiàn)，導致巷道支護嚴重破壞失效(如圖1所示)，礦壓問題對礦井安全生產(chǎn)威脅日趨嚴峻。

圖1 強礦壓顯現(xiàn)下巷道支護破壞嚴重情況

為提高采掘工作面的頂板安全系數(shù)，保證礦井生產(chǎn)安全，迫切需要對現(xiàn)有普通低強度支護方式和支護參數(shù)進行改進。

1 原有頂板支護狀況分析

1.1 巷道基本情況

250203工作面區(qū)域內(nèi)構造較為復雜，褶皺構造發(fā)育。從南向北由背斜過渡到向斜，且沿走向次級褶曲發(fā)育。地面標高1943～1627m，巷道標高1009.5～1070.2m。巷道頂板巖石為粉砂巖，硬度為3.8～4.9，厚度為5.0～18.2m，灰白色巨厚層狀，膠結致密；底板為含礫砂巖，硬度為2.1～3.4，厚度為1.6～11.6m，灰白-黑褐色。

1.2 原巷道支護參數(shù)

采用錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護方式。頂錨桿為矩形布置，間排距為810mm×800mm，每排8套φ22-M24-L2400mm錨桿，靠近兩幫的2根錨桿與水平線呈30°角，其他6根錨桿與巷頂輪廓線垂直，每根錨桿使用2支錨固劑，一支為K2335型，另一支為Z2360型。W鋼帶型號為W280-2.75-5892-810×8，每排1片；頂錨索型號為φ17.8mm×7300mm，五花眼布置，間排距為1600mm×800mm，每根錨索使用3支錨固劑，一支為K2335型，另兩支為Z2360型。單層鋪設B900-L3400菱形金屬網(wǎng)，頂網(wǎng)之間、頂幫網(wǎng)間搭接不少于100mm，使用鉛絲逐環(huán)雙排聯(lián)結，要求環(huán)環(huán)相扣，連接時至少擰3圈。

1.3 原支護方案存在問題

(1)頂網(wǎng)撕裂 由于金屬網(wǎng)的強度不夠，無法有效增加錨網(wǎng)支護的整體效果，當巷道出現(xiàn)強礦壓顯現(xiàn)時，不能有效傳遞錨桿(索)間的荷載，導致金屬網(wǎng)強行拉斷，漏頂?shù)默F(xiàn)象常常發(fā)生。

(2)頂板急劇下沉、錨索斷裂退錨、錨桿錯移失效 原有錨索強度偏低、延伸率小，加之錨索間距偏大，錨桿與錨索之間整個圍巖的整體性支護強度不夠、互補支護性不好，在強礦壓來臨的時候造成頂板突然嚴重下沉，最大1.0m，出現(xiàn)頂板離層現(xiàn)象，導致巷道出現(xiàn)嚴重的錨桿錯移失效、錨索斷裂退錨等現(xiàn)象。

2 頂板支護參數(shù)設計

能量校核設計法的實質(zhì)為：巷道支護系統(tǒng)的變形能必須滿足巷道圍巖破壞過程中釋放的能量，以支護系統(tǒng)的最大動載荷作為判斷巷道支護設計能否適應沖擊要求的指標，對沖擊礦壓巷道支護設計進行校核[1]。

硯北礦2502采區(qū)巷道安裝了礦壓監(jiān)測設備，視巷道支護系統(tǒng)承受的能量為監(jiān)測設備測得的能量，且考慮到安全因素，以礦壓顯現(xiàn)的最大能級進行核算，認為破壞性礦壓顯現(xiàn)的最高能量為1×106J級別。以礦壓顯現(xiàn)的最大能級核算以每排0.8m，巷寬5.5m為校核單元，視每排巷寬在沖擊能量作用范圍內(nèi)為點結構。根據(jù)功的物理學定義：視沖擊功W為礦壓顯現(xiàn)的能量KE；0.2m為設計頂板支護體下沉量，即沖擊功作用下的位移S。依據(jù)公式F=W/S計算：

F=W/S=KE/S=6000(kN)

(1)

式中，K為支護安全系數(shù)，取1.2；S為巷道允許下沉量，0.2m；E為有破壞性礦壓顯現(xiàn)的最高能量，1×106J。

即每排巷頂承受的沖擊動載荷為6000kN左右。

2.1 原支護方案載荷校核

原先支護采用8根φ22mm-M24-2400mm錨桿和4根φ17.8mm×7300mm錨索進行頂部支護，其支護的最大承載力為

8×304+4×353=3844(kN)

式中，8為錨桿數(shù)量；304kN為直徑22mm的錨桿的破斷載荷；4為錨索數(shù)量；353kN為直徑17.8mm的錨索破斷載荷。

根據(jù)計算，原設計中支護承載力3844kN根本達不到強礦壓顯現(xiàn)能量釋放所需要的承載力6000kN，為確保頂板安全，現(xiàn)有支護必須達到或超過礦壓顯現(xiàn)能量釋放所需要的承載力。

2.2 最終頂板支護方案設計

2.2.1 煤體松動圈測定

錨網(wǎng)支護參數(shù)的合理確定，應依據(jù)圍巖的破壞范圍和載荷來確定[2]。為此，需要開展松動圈的測試來確定圍巖的破壞范圍。通過對250203兩巷兩幫測點數(shù)據(jù)進行篩選分析處理，得到聲時的變化曲線(如圖2所示)?？梢钥闯?，兩巷上下兩幫的松動圈大小約在2.2m左右。

圖2 250203兩巷兩幫聲時的變化曲線

2.2.2 主要支護體長度的確定

根據(jù)測定的圍巖松動圈，錨桿的錨固長度為1.3m，只有支護體長度不小于3.5m=(2.2m+1.3m)時，才能使錨固體處于穩(wěn)定的圍巖中，充分發(fā)揮有效作用[3]。

2.2.3 錨索(桿)的選用

馬克思主義與功利主義（實用主義）的論爭也即“問題與主義”之爭，是在科學社會主義傳入中國之后，馬克思主義與反馬克思主義進行的第一次比較著名的論戰(zhàn)，對馬克思主義及其公平思想的傳播產(chǎn)生了較大影響。

原設計采用φ17.8mm，17股錨索，該錨索強度偏低、延伸率小，使得整個圍巖的整體性不夠好，在動壓來臨的時候造成局部變形過大而破壞。增加錨索的強度，使之能與錨桿充分發(fā)揮互補性能的聯(lián)合支護[4]。新設計中長錨索采用φ22mm×7300mm，1×19股高強度低松弛預應力強力錨索，間排距1600mm×1600mm，垂直巷頂輪廓線安裝在巷道中部。錨索每排4根布置。短錨索采用φ22mm×3650mm ，1×19股高強度低松弛預應力強力錨索，代替原支護中W鋼帶中間的6根頂錨桿，間排距800mm×800mm。原支護的破斷載荷為353kN,延伸率為4%，現(xiàn)支護與原支護相比錨索破斷載荷增強72%，延伸率增加75%。每排2套φ22-M24-L2400mm錨桿，布置在W鋼帶兩端部。

2.2.4 金屬網(wǎng)和保護件選用

原設計中金屬網(wǎng)柔性過大，強度和剛度不夠，不能有效傳遞錨桿間的載荷，現(xiàn)場發(fā)生撕裂等現(xiàn)象，為能更好地抵抗強礦壓的沖擊，必須在金屬網(wǎng)和托盤上加強其強度和剛度[5]。鋪設B900-L2800mm金屬網(wǎng)雙層護頂，頂網(wǎng)之間、頂幫網(wǎng)間搭接不少于150mm；鋼帶采用型號為W280-3-5790-800×8；錨索托盤采用300mm×300mm×12mm，材質(zhì)為Q2345錳鋼大托盤。

2.2.5 最終支護設計載荷校核

現(xiàn)頂板支護破斷載荷計算如下：

2×304+10×607=6678(kN)

式中，2為錨桿數(shù)量；304kN為直徑22mm的錨桿破斷載荷；10為錨索(4根7.3m，6根3.65m)數(shù)量；607kN為直徑22mm的錨索的破斷載荷。

3 使用效果

經(jīng)過250203上運輸巷近6個月的使用情況來看，使用期間，經(jīng)受了從掘進開始到回采期間所有強礦壓的考驗(最大能級1MJ)，實現(xiàn)了在強礦壓顯現(xiàn)時頂板支護體的極小破壞，有效控制了頂板下沉量，達到了良好的現(xiàn)場效果。礦壓觀測數(shù)據(jù)表明，在同類條件下，采用全新的錨網(wǎng)索支護的煤巷，圍巖變形量比采用原先支護減少25.8%～39.8%。頂板安全狀況得到明顯改善(圖3)，巷道維護成本明顯下降。

圖3 頂板變更支護后效果

變更設計后現(xiàn)有支護有明顯的技術與經(jīng)濟優(yōu)越性，突出表現(xiàn)在：

(1)支護強度大幅提升 是變更前的1.74倍，對強烈沖擊的安全適應性顯著提高。全新的錨網(wǎng)索支護技術，采用性能優(yōu)越的高強度錨網(wǎng)索支護材料，短錨索能利用其錨固力對圍巖固有破壞區(qū)實施有效支護，恢復和提高破裂圍巖的殘余強度；長錨索深入煤巖層內(nèi)部，可以傳遞較大的拉應力，顯著提高了支護的可靠性和安全程度，尤其加強了強沖擊巷道支護的安全可靠性。

(2)錨索長短互補 根據(jù)松動圈測試結果，采用長錨索(7.3m)和短錨索(3.65m)結合，增加煤層結構的穩(wěn)定性。另外，淘汰φ17.8mm，1×7股加長錨固錨索，采用φ22mm，1×19股加長錨固強力錨索增強了支護強度和延伸率。

(3)改進托板結構 平面托板強度低，適應性差，當錨索預緊力和承受的載荷比較大時，平托板四周易翹起, 托板承載顯著降低，容易造成錨索斷裂或托板錨索鉆孔撕裂。采用拱形托板，一方面托板的承載能力顯著提高，且具有一定的變形性；另一方面，托板改善了錨索受力狀態(tài)，使錨索支護能力得以充分發(fā)揮。

(4)改善金屬網(wǎng)的變形能力 增加金屬網(wǎng)的強度，可以有效傳遞錨桿間的荷載，進而有效增加錨桿支護的整體效果，適用于大變形高地應力和沖擊地壓巷道。

4 結論

(1)為確保頂板安全，提高支護效果，支護必須達到或超過礦壓顯現(xiàn)能量釋放所需要的承載力。

(2)基于能量校核的不等長完全強力錨索頂板支護系統(tǒng)在強礦壓特厚松軟大斷面全煤巷道的設計應用中效果顯著，通過技術革新，巷道維修成本大幅降低，支護的可靠性和安全程度得到提高，有效地遏制了煤礦強礦壓條件下頂板事故的發(fā)生。這種全新的錨網(wǎng)索支護技術是可行的，具有一定的推廣價值。

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[責任編輯：林健]

Design and Application of Strong Anchored Cable Supporting System forCoal Roadway with Strong Pressure Based on Energy Check

DING Xiao-min1, AN Jian-gang1, WU Yan-ping1, SHI Meng2

(1.Yanbei Colliery, Huating Coal Group Co., Ltd., Huating 123000, China;2.Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Surrounding rock separation and supporting structure deformation was very serious in large-section coal roadway in extremely-thick coalseam under strong underground pressure, and common low-strength supporting manner could not control effectively roadway deformation.In order to improve supporting effect and keep surrounding rock integrity and stability, applying unequal-length strong anchored cable to supporting roof based on energy check.Theoretical calculation and on-the-spot practice showed that supporting capacity of this system exceeded energy released from underground pressure behavior.Long-and-short anchored cable obviously improved supporting reliability and safety degree, and reduced roadway maintenance cost.Application effect was significant.

energy check; strong underground pressure; unequal length; strong anchored cable; design and application

2014-03-03

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.013

國家科技支撐計劃課題(2012BAK04B06)；中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金項目：動壓巷道水力壓裂卸壓機理研究(2013QN011)；天地科技開采設計事業(yè)部青年創(chuàng)新基金項目：高效多功能可移動鉆機平臺設計與開發(fā)(KJ-2013-TDKC-18)

丁小敏(1975-)，男，甘肅甘谷人，高級工程師，華煤集團新柏煤礦礦長。

丁小敏，安建崗，武彥平，等.基于能量校核的強礦壓全煤巷道強力錨索頂板支護系統(tǒng)的設計應用[J].煤礦開采，2014，19(6)：47-49，73.

TD353

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1006-6225(2014)06-0047-03